[发明专利]一种溶液法加工的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电器件领域，特别涉及一种溶液法加工的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池及其制备方法。

背景技术

二十一世纪以来，化石能源经数十年的大规模开采使用，已濒于枯竭。工业革命至今，温室效应导致地球的平均温度上升了0.3～0.6℃，海平面上升了10～25cm。温室效应气体的主要成分是二氧化碳，而其中的80％是由化石燃料的消耗产生的。可见，人类正遭遇能源短缺和环境恶化的双重危机。发展一种高效清洁的能源，是当今人类亟待解决的问题。开发太阳能，是当今能源开采的必然趋势,因为太阳能正是符合上述条件的绿色能源。太阳能光伏发电，与传统的发电原理相比，具有不经过其他媒介，无转动部件，模块化结构，运行维护简易，建设周期短以及利用荒漠土地和建筑物屋顶资源等优点，是大规模开发利用太阳能的必由之路。

传统的晶硅电池，因其对原料和能源需求较大，成本居高不下，且能量回收期较长，性价比有待提高。近年来，薄膜电池以其成本低廉的绝对优势异军突起，主要包括硅基薄膜太阳电池、无机化合物薄膜电池(铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池、碲化镉(CdTe)太阳电池)和有机聚合物薄膜电池。其中，无机化合物薄膜太阳电池优点是能很好地与太阳光谱匹配、吸收系数较大、能量转换效率高。近期，美国的First Solar实验室制作的碲化镉薄膜太阳电池的能量转化效率达到了20.4％，与多晶硅太阳电池的最高转化效率非常接近。但是，其主要的制备方法是近空间升华法、真空蒸镀法、电化学沉积法、磁控溅射法等，真空或高温环境制约其成本的进一步降低。基于溶液法加工的无机纳米晶太阳电池，可以通过引入卷对卷溶液加工法，实现工业上低成本、大面积、轻重量、可弯曲薄膜太阳电池的制备，且能保持无机半导体材料良好的太阳光谱响应、载流子传输性能以及良好的稳定性的优点。纳米晶太阳电池是当前研究的一个热点。不仅如此，纳米晶材料可以通过调节晶粒的尺寸大小来进行带隙调控，实现单一材料多种带隙，这是聚合物材料无法比拟的优势。

2005年，Alivisatos(I.Gur,N.A.Fromer,M.L.Geier,A.P.Alivisatos,Science,2005,310,462.)研究小组开展了基于旋涂方法制备无机纳米晶太阳电池的研究。主要是借鉴了有机聚 合物溶液成膜的方法，采用溶剂热法制备出CdTe和CdSe纳米晶分别作为给体和受体材料，采用旋涂的方法成功制备了结构为ITO/CdTe(100nm)/CdSe(100nm)/Al的全无机纳米晶太阳电池。其中CdTe作为给体层主要吸收太阳能产生的电子空穴对，CdSe作为受体层，用于传输电子，形成了典型的二极管器件结构。他们通过烧结处理改善晶面，减少缺陷态密度，从而减小串联电阻，增大开路电压。最终，在标准AM1.5G模拟太阳照射下，最高短路电流13.2mA/cm²,开路电压0.45V，填充因子0.49，器件转化效率达到了2.9％。其实,还可以通过减小CdTe和CdSe的失配率来进一步提高开路电压，从而提高光电转化效率。至此，溶液法加工全无机纳米晶太阳电池被广泛关注。

2010年，Anderson(J.D.Olson,Y.W.Rodriguez,L.D.Yang,G.B.Alers,S.A.Carter,Appl.Phys.Lett.,2010,96,242103.)研究小组开发了非铝金属电极，并研究了CdTe、CdSe层厚度对器件性能的影响，发现通过增加CdTe层的厚度可以获得较好的能量转化效率，但最好器件的转化效率也仅为2.6％。主要原因是薄膜的平整度不理想且仍存在大量的晶界和缺陷态，另外晶粒的尺寸也没有得到很好的控制。同年，Olson(J.D.Olson,Y.W.Rodriguez,L.D.Yang,G.B.Alers,S.A.Carter,Appl.Phys.Lett.,2010,96,242103.)研究小组制备了CdTe/Al肖特基太阳电池，其效率达到5％。他们指出CdCl₂热处理使得CdTe晶粒长大，通过优化热处理条件消除量子限域效应，增强了对太阳光的吸收。但是这种肖特基太阳电池本身的结构存在一些问题限制了其效率的提高。即光是从阳极(透明电极ITO)一端射入的，而肖特基结在阴极端，电子传输过程中发生复合，扩散长度有限，不能全部被吸收。